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文檔簡介

3.4二極管的基本電路及其分析方法

在電子技術(shù)中,二極管電路得到廣泛的應(yīng)用。本節(jié)重點(diǎn)介紹采用簡化模型,分析幾種基本的二極管電路。

3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法

二極管是一種非線性器件,因而其電路一般要采用非線性電路的分析方法,相對來說比較復(fù)雜,因而圖解分析發(fā)則較簡單,但是前提條件是已知二極管的V_I特性曲線。0二極管V-I特性曲線斜率為的負(fù)載線+-D例:二極管電路如圖(a)所示,設(shè)二極管的V-I特性曲線如圖(b)所示。已知電源vDD和電阻R,求二極管兩端電壓vD和流過二極管的電流iD。靜態(tài)工作點(diǎn)Q(VD,ID)解:(a)(b)

1.二極管V-I特性的建模

1.理想模型3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法在正向偏置時,其管壓降為0,而當(dāng)二極管處于反相偏置時,認(rèn)為它的電阻為無窮大,電流為零。uDiDO理想特性實際特性a.伏安特性b.電路符號–+uDiD

1.二極管V-I特性的建模

2.恒壓降模型3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法當(dāng)二極管導(dǎo)通后,其管壓降認(rèn)為是恒定的,且不隨電流而變,典型值為0.7V(硅管)。

1.二極管V-I特性的建模3.折線模型3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法為了較真實地描述二極管V-I特性,在恒壓降模型的基礎(chǔ)上,做一定的修正,即認(rèn)為二極管的管壓降不是恒定的,而是隨著通過二極管電流的增加而增加,所以在模型中用一個電池的電壓選定為二極管的門坎電壓Vth約為0.5V(硅管)。

4.小信號模型

3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法在圖中串聯(lián)一個交流信號源+-D+-當(dāng)0電路處于靜態(tài)工作狀態(tài)靜態(tài)工作點(diǎn)Q(VD,ID)當(dāng)工作點(diǎn)將在和之間移動。二極管電壓和電流變化為和即根據(jù)得Q點(diǎn)處的微變電導(dǎo)則常溫下(T=300K)由上看出,在交流小信號的作用小,工作電沿V-I特性曲線,在靜態(tài)工作點(diǎn)Q附近小范圍被變化,此時可把二極管V-I特性近似為以Q點(diǎn)為切點(diǎn)的一條直線,斜率的倒數(shù)就是小信號模型的微變電阻,如圖。二極管:死區(qū)電壓=0.5V,正向壓降

0.7V(硅二極管)理想二極管:死區(qū)電壓=0,正向壓降=0二極管的應(yīng)用舉例1:二極管半波整流(利用二極管的單項導(dǎo)電性)二極管的應(yīng)用是主要利用它的單向?qū)щ娦裕饕獞?yīng)用于整流、限幅、保護(hù)等等。

2.應(yīng)用舉例

例1:二極管基本點(diǎn)路如圖所示,已知Vs為正弦波。利用二極管理想模型,繪出Vo的波形。RLvsvOvivott二極管半波整流

1)整流電路解:由于Vs的值有正有負(fù),當(dāng)Vs為正半周時,二極管正向偏置,此時二極管導(dǎo)通,Vo=Vs.當(dāng)Vs為負(fù)半周時,二極管反向偏置,此時二極管截止,Vo=0。該電路稱為半波整流電路。正弦波信號原來是雙方向的,現(xiàn)在經(jīng)過二極管這個電路輸出變成單方向的,而且這個電方向取的是輸入一半的波形,所以叫做半波整流電路

uiuott這個電路有什么用處?這是后面要介紹的直流穩(wěn)壓電源里面的一部分電路,我們知道直流電源輸入都是220V,要變成直流第一步就要把雙方向的變成單方向的,這就是整流的過程。

2.二極管的靜態(tài)工作情況分析理想模型(R=10k)(1)VDD=10V時恒壓模型(硅二極管典型值)折線模型(硅二極管典型值)設(shè)

3.限幅電路

當(dāng)輸入信號電壓在一定范圍內(nèi)變化時,輸出電壓隨輸入電壓相應(yīng)變化;而當(dāng)輸入電壓超出該范圍時,輸出電壓保持不變,這就是限幅電路。通常將輸出電壓uo開始不變的電壓值稱為限幅電平,當(dāng)輸入電壓高于限幅電平時,輸出電壓保持不變的限幅稱為上限幅;當(dāng)輸入電壓低于限幅電平時,輸出電壓保持不變的限幅稱為下限幅。

并聯(lián)二極管上限幅電路限幅電路如圖所示。改變E值就可改變限幅電平。

E=0V,限幅電平為0V。ui>0時二極管導(dǎo)通,uo=0V.并聯(lián)二極管上限幅電路二極管并聯(lián)上限幅電路波形關(guān)系ui<0V,二極管截止,

uo=ui。并聯(lián)二極管上限幅電路二極管并聯(lián)上限幅電路波形關(guān)系設(shè)0<E<Um(輸入峰值電壓),則限幅電平為+E。當(dāng)ui<E,二極管截止,uo=ui;并聯(lián)二極管上限幅電路二極管并聯(lián)上限幅電路波形關(guān)系當(dāng)ui>E,二極管導(dǎo)通,uo=E。波形圖如圖(b)所示。并聯(lián)二極管上限幅電路二極管并聯(lián)上限幅電路波形關(guān)系設(shè)-Um<E<0,

如果ui>E,二極管導(dǎo)通,uo=E。則限幅電平為-E.并聯(lián)二極管上限幅電路二極管并聯(lián)上限幅電路波形關(guān)系設(shè)-Um<E<0,如果ui<E,二極管截止,uo=ui;波形圖如圖(c)所示。并聯(lián)二極管上限幅電路二極管并聯(lián)上限幅電路波形關(guān)系并聯(lián)下限幅電路E=0V,限幅電平為0V。ui<0時二極管導(dǎo)通,uo=0V;ui>0V,二極管截止,

uo=ui。波形如圖所示。uiuott并聯(lián)下限幅電路如果0<E<Um,則限幅電平為+E。

ui<E,二極管導(dǎo)通,uo=E。

ui>E,二極管截止,uo=ui;波形圖如圖(b)所示。uiuottE并聯(lián)下限幅電路如果-Um<E<0,則限幅電平為-E,波形圖如圖所示。uiuottE串聯(lián)限幅電路E=0V,限幅電平為VR。

ui<VR時二極管導(dǎo)通,

uo=ui;

ui>VR時二極管截止,uo=VR,波形如圖所示。uiuottVR

串聯(lián)限幅電路E=0V,限幅電平為VR。

ui<VR時二極管截止,

uo=ui;

ui>VR時二極管導(dǎo)通,uo=VR,波形如圖所示。uiuottVR雙向限幅電路在電子電路中,常用限幅電路對各種信號進(jìn)行處理。它是用來讓信號在預(yù)置的電平范圍中,有選擇地傳輸一部分。-+-+R(a)限幅電路例:一限幅電路如圖所示,二極管為硅二極管,分別用理想模型和恒壓降模型求解以下兩問:(1)求相應(yīng)的輸出電壓的值(2)繪出相應(yīng)的輸出電壓的波形-+-+R(b)理想模型電路-+-+R(c)恒壓降模型電路(1)理想模型電路如圖(b)所示二極管截止二極管導(dǎo)通二極管導(dǎo)通恒壓降模型電路如圖(c)所示二極管截止二極管導(dǎo)通二極管導(dǎo)通0303.7(2)由于所加輸入電壓為振幅等于6V的正弦電壓,正半周有一段幅值大于VREF.對于理想模型,波形如圖(a)對于恒壓模型,

4.開關(guān)電路在開關(guān)電路中,利用二極管的單向?qū)щ娦砸越油ɑ驍嚅_電路,這在數(shù)字電路中得到廣泛的應(yīng)用。在分析這種電路時,應(yīng)當(dāng)掌握一條基本原則,即判斷電路中的二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)還是截止?fàn)顟B(tài)。5V例:二極管電路如圖所示。利用二極管理想模型求解:求的值不同組合情況下,輸出電壓的值。+++--5V解:當(dāng)D1為正向偏置D2的陰極電位為5V,陽極為0V,處于反相偏置,故D2截止。

5.低電壓穩(wěn)壓電路利用二極管的正向壓降特性,可以獲得較好的穩(wěn)壓性能。+-設(shè)低電壓穩(wěn)壓電路如圖。合理選取電路參數(shù),對于硅二極管,可以獲得輸出電壓近似等于0.7V,若采用幾只二極管串聯(lián),則可獲得1V以上的輸出電壓。+-+-+-由于某種原因,入電網(wǎng)電壓波動引起直流電源電壓VI產(chǎn)生波動,這個波動分量用ΔVI表示,波形是任意的,它與VI串聯(lián)共同作用于R(限流電阻)和二極管D相串聯(lián)的支路如圖。電路中VI

、R和二極管D共同確定電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。當(dāng)波動電壓增量ΔVI出現(xiàn)之后,電路中的電流和二極管電壓亦產(chǎn)生相應(yīng)的增量,0ΔVI引起的的波動很小輸出電壓可以保持基本穩(wěn)定。V-I特性曲線越陡,微變電阻rd越小,穩(wěn)定性也越好。

6.小信號工作情況分析在利用小信號模型分析二極管電路時,要特別注意微變電阻rd與靜態(tài)工作點(diǎn)Q有關(guān)。一般首先分析電路的靜態(tài)工作情況,求得靜態(tài)工作點(diǎn)Q;其次,根據(jù)Q點(diǎn)算出微變電阻rd;再次,根據(jù)小信號模型交流電路模型,求出小信號作用小電路的交流電壓、電流;最后與靜態(tài)值疊加,得到完整的結(jié)果。例3.4.6在圖(a)所示的二極管電路中,恒壓降模型的(1)求輸出電壓的交流量和總量;(2)繪出的波形。解:(1)根據(jù)疊加原理,可以將兩個電壓源的作用分開考慮,得到相應(yīng)的電路模型圖(b)和圖(c)。圖(c)中只有交流

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